嵌入式技術下智能胸貼監護系統探究

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[摘要]目的：設計一套基于嵌入式技術的智能胸貼監護系統，實現人體體征數據采集、處理、傳輸與存儲以及可視化。方法：采用Max30001三導聯傳感器采集心電、呼吸及心率數據，Max30208傳感器采集體溫數據，并通過ESP32芯片自帶藍牙模塊將數據傳輸至監護系統。監護系統以Exynos4412型號為監護處理的中央處理器(CPU)，實現多線程并發處理數據。結果：經測試系統能夠實時監測人體體征參數，在連續48h內系統處理速度與精度皆良好；整個系統采集數據能力、上層數據處理系統良好且數據精度與預期偏差＜5%，能夠及時了解患者的狀態，為醫護人員精確診治提供依據。在事故現場進行實時監測，可極大節省救治時間。結論：智能胸貼監護系統在長時間工作狀態下運行順暢，能夠實時以圖形或數字形式顯示人體體征數據，并快速處理，確保數據安全有效。

[關鍵詞]嵌入式技術；ESP32主控芯片；體征數據

目前，隨著醫療科技水平提升，我國老年人數量激增，聯合國有關報告預測，至2050年全球將有20億老年人口[1]。然而，隨之而來的是老年病、獨居老年人的安全問題，在老年人病發或出現事故時，醫生能夠第一時間獲得傷患的體征數據極為重要，對于后續治療起著關鍵作用[2]。在車禍事故中，現場便攜式醫療設備實時監測人體數據，可為醫生手術計劃或治療方案的制定節省大量時間，現場醫護人員能夠根據傷患不同的體征狀態進行采取相應的治療措施[3-4]。基于此，本研究設計一種基于嵌入式技術的體征數據實時監測系統，通過Max30001與Max30208傳感器采集傷患各種體征數據，通過ESP32芯片實時控制兩個傳感器。并通過內嵌的藍牙模塊將體征數據發送至監測系統。

1智能胸貼監護系統設計

嵌入式技術的體征數據實時監測系統由Exynos4412作為主控芯片，搭載Linux系統支持的Qt嵌入式(Qtembedded，QTE)圖形庫，實時顯示體征信號，并且該系統支持傳輸控制協議/Internet協議(transmissioncontrolprotocol/internetprotocol，TCP/IP)傳輸模塊，能夠將數據實時發送或某段時間內數據打包傳至指定IP地址。該IP通常為醫院后臺服務器地址，醫生可通過醫院信息系統(hospitalinformationsystem，HIS)調用服務器數據，第一時間掌握患者信息，及時制定治療方案，提高救治的有效性和準確性[5]。

1.1整體框架

智能胸貼監護系統主要由底層胸貼采集系統、上層監護顯示終端及遠程醫療系統三大部分組成，其中由ESP32芯片控制Max30001傳感器(美國MaximIntegrated公司)與Max30208傳感器(美國MaximIntegrated公司)采集體征數據，由內嵌藍牙模塊每秒發送數據包，監護終端接收并通過算法處理數據包、顯示數據和存儲數據，考慮硬盤大小，該套系統搭載SQlite小型數據庫。監護終端可設置實時傳輸數據至醫院服務器或一個周期內的數據包，再由醫生通過網頁Web查看患者信息。智能胸貼監護系統整體框架見圖1。

1.2底層采集系統

智能胸貼底層采集系統其主控芯片為樂鑫ESP32芯片，內部包含了藍牙與WiFi模塊，體征采集主要包含心電采集模塊、呼吸采集模塊及體溫采集模塊等，外圍電路包含電壓轉換模塊、供電模塊及心電模塊導聯線連接口模塊，其中降壓芯片MP2012DQ將5V電源電壓轉換為1.8V與3.3V，且由ESP32芯片提供外部Flash存儲器，該模塊為NandFlash外部存儲器,確保讀寫速度與心電的采樣頻率同步。上層系統監護顯示系統，主控芯片為Exynos4412芯片，該芯片支持操作系統，能夠多線程并發處理數據，本方案中使用基于Linux5.0版本內核的QTE系統，整個UI界面由QTCreator5.12版本開發，主要包含各個體征數據的實時顯示、數據庫保存、TCP傳輸、藍牙等功能，由于測量值心電、呼吸及體溫，故心率測量還需通過算法進行計算。遠程醫療系統主要包含TCP服務器模塊開發，使其運行在某個醫院的服務器上。智能胸貼底層系統框架見圖2。

2智能胸貼監護系統硬件電路設計

樂鑫ESP32主控芯片集成了2.4GHzWiFi和低功耗藍牙功能，整個芯片功耗低。通過ESP32芯片為心電采集模塊提供時序信號，Max30001傳感器與ESP32芯片共用同一晶振，方便主控部分與采集心電模塊數據同步，標準化心電采樣頻率，防止各個芯片間電壓干擾對心電采集產生影響，需要對心電模塊單獨供電，標準輸入電壓為5V，心電模塊需1.8V和3.3V，故由MP2012DQ電壓轉換模塊供電。

2.1電壓轉換模塊電路設計

MP2012電壓轉換模塊是一個完全集成且內部補償1.2MHz固定頻率脈沖寬度調制(pulsewidthmodulation，PWM)降壓轉換器，輸入范圍為2.7～6V。系統采用5V的鋰離子電池供電，由于其他模塊需要1.8V與3.3V電壓供電，故需降壓轉換。5V轉1.8V電路以及5V轉3.3V電壓電路見圖3。ESP32主控芯片最低可輸出電壓0.8V，輸出電壓大小可由圖3與圖4顯示，通過計算芯片外部電阻R3(R9)、R2(R7)及R4(R10)的值改變輸出電壓大小，輸出電壓值[6]計算為公式1：Vout=0.8×(1+)(1)R2R4

2.2心電采集模塊電路設計

Max30001傳感器是一個集生物電勢和生物電阻抗(BioZ)檢測的可穿戴芯片，其可以檢測心電圖(electrocardiogram，ECG)、心率等，由于考慮精確度，設計的心率信號需要通過算法計算，且該芯片的單路生物電阻抗能夠測量呼吸[7]。Max30001外圍硬件電路見圖4。心電采集模塊電路中的芯片引腳ECGN、ECGP、BIN及BIP分別為心電信號的負正輸入，生物電阻抗的正負輸入，芯片引腳DRVP、DRVN為生物電阻抗激勵的正負極，測量時需要將心電三導聯的隨機接入(randomaccess，RA)ECGN_BIN引腳，本地回環(localloopback，LL)協議接入ECGP_BIP接口，Interlaken協議(Interlaken，LA)接口接入共模電壓(voltagecommonmode，VCM)引腳，其中VCM為共模緩沖器輸出，需要外接10μFX5R(C43)陶瓷電容后，將其連接到印刷電路板(printedcircuitboard，PCB)。

2.3體溫采集模塊電路設計

Max30208溫度傳感器是一款專用于體溫檢測的溫度傳感器，在30～50℃范圍內，精度為±0.1℃。使用I2C接口進行通信。為方便測量人體腋下標準體溫，在設計PCB時，使用軟板將體溫模塊以0.5cm寬延伸10cm，使得再使用時能夠達到舒適度要求[9]。Max30208外圍電路見圖5。2.4ESP32外圍電路設計主控芯片ESP32負責對采集傳感器內部寄存器的控制，兩個傳感器通信模式均為內部集成電路總線(inter-integratedcircuit，IIC)通信，因其需要擴展外部Flash及兩個傳感器，這三者使用的時鐘頻率不一樣，而ESP32芯片的時鐘(clock，CLK)接口只有一個，需要對其擴展，利用GPIO16、GPIO17接口模擬數字時鐘信號，對于過大時鐘信號可能會失真。Max30001需要32.768kH的時鐘信號，擴展后的FCLK引腳連接至傳感器的FCLK引腳。ESP32外部Flash最大可支持16M，主要用來緩存心電信號數據，防止發生數據丟包，造成不可逆的后果。ESP32外圍時鐘信號擴展口見圖6，ESP32外部Flash外圍電路見圖7，ESP32IO接口部分電路見圖8。

3智能胸貼監護系統圖形用戶界面設計

監護系統圖形用戶界面(graphicaluserinterface，GUI)模塊主要包含藍牙與底層ESP32連接模塊，體征數據實時顯示，數據庫存儲，傳輸控制協議(transmissioncontrolprotocol，TCP)客戶端等。系統基于Exynos4412搭載linux5.0版本內核的QTE圖形界面系統，QT庫為4.7.1版本，該庫在制作內核鏡像文件時直接進行連接編譯，不做過多內核制作介紹。監護用戶界面(userinterface，UI)顯示軟件由QTCreator開發，之后通過修改啟動文件/etc/init.d/rcS文件，最后一行添加開機直接啟動該執行文件即可。

3.1主界面窗口設計

主界面的顯示主要包含實時顯示、患者數據、藍牙、TCP傳輸等模塊，且左邊預留了用于升級兼容超聲的模塊[10]。主界面左右分別對應退回和關閉按鈕，且實時顯示系統時間。監護系統主界面及用戶界面顯示見圖9。圖9監護系統主界面及用戶界面顯示圖在監護系統主界面，程序啟動后初始化按鈕及其他動作，創建Stackwidget窗口容器，主要用于各個頁面的切換，該容器初始頁面只添加一個主界面，其他頁面當監聽到按鈕事件時會創建一個子頁面，當返回主頁面時子頁面所有資源被回收，防止內存占用率過高，導致軟件卡頓或卡死。監護系統界面主程序流程見圖10。

3.2實時顯示窗口設計

實時顯示界面模塊主要包含體溫、心率、呼吸和心電信號的顯示，其中心電信號與呼吸信號數據點間隔40ms，此時間可能會受到多線程處理數據的影響。當點擊開始按鈕后，系統首先判斷是否有底層胸貼藍牙連接，無連接時會以對話的方式提醒用戶，否則開啟一條子線程，子線程通過藍牙下發控制指令，使得底層開始采集體征數據，同時調用心電處理模塊，提取特征值，計算心率值，同時繪制波形及相關數據。實時顯示窗口見圖11。

3.3患者數據窗口設計

當監護系統主界面接收到患者數據按鈕被按下時間，創建新的Widget，初始化數據庫，使用的是小型SQlite數據庫。醫護人員可以通過患者姓名、身份識別(identification，ID)等進行索引。每個患者信息都是每次藍牙進行重連接時需要手動輸入患者基本信息，同時醫護人員也可對患者信息進行修改。患者數據庫界面見圖12。

4智能胸貼監護系統應用測試

4.1應用方法

智能胸貼監護系統設計操作和使用方法簡單，醫護人員在現場將胸貼粘貼于人體左肺上方5cm處，具體需要實際情況而定，保證軟排線體溫模塊能夠放置到腋下。連接三導聯線，將導聯線按三導聯標準分別放置在右鎖骨中線與第2肋間之交點、左鎖骨中線與第2肋間之交點及左下腹[11]。打開監護系統，連接藍牙并下發開始指令，系統開始工作，當正常檢測時，胸貼終端綠色發光二極管(lightemittingdiode，LED)燈亮起，否則為紅色。若需要遠程支持或數據傳輸，打開TCP功能即可。

4.2應用效果

本系統設計主要服務對象為老年病、老年安全及車禍事故現場，兼容檢測體溫、心電、呼吸、心率等體征數據。通過室內檢測和室外檢測，整個系統采集數據能力、上層數據處理系統良好且數據精度與預期偏差＜5%，并且使用模擬數據對監護系統性能進行了測試，在連續48h內系統處理速度與精度皆良好，超過48h，中央處理器(centralprocessingunit，CPU)內存占用率激增，數據出現偏差，波形顯示出現卡頓現象，后續將繼續進行優化。TCP數據傳輸，實時傳輸時具有延時，暫時可通過手動傳輸時間段內數據。后續將繼續改進各個模塊算法，優化系統，擴大測試面積。

5結論

本研究設計的智能胸貼監護系統，是針對大型醫療設備無法攜帶且部分監護設備、無法實現多參數檢測，導致醫護人員無法第一時間獲得傷患的體征數據而耽誤治療時間。整個系統方便攜帶、待機時間長及測量參數多且精度高，可有效提高事故現場救治的準確度。

作者:張太鵬 王玉珍 王能才 張海英 單位:蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院